Учебный прибор по оптике

) ) А ЕСПУБЛИК 09 В 23/22 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СТВУ 9Кромский и В.Фельство СССР 9 В 23/22, 19 Р ПО ОПТИК ения: устрой соГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕ(57 Сущность изобре держит; 1 основание (1), 1 осветитель (2), 1 объект с вибратором (3, 4), 2 фотопреобразователя (5, 21). 2 осциллографа )6, 22), 1 источник питания (7), 3 генератора сложных сигналов (8, 9, 10), 2 переключателя (11, 12), 3 умножителя (13, 15, 17), 3 полосов ых фильтра (14, 16, 18), 1 ячейку Брэгга (19 1 линзу (20). 2-19-20-21-22, 19-(3,4)-5+7-4-22, (8.9,10)11-12, 11-13-14-12, 12-15-16-12, 12- 17-18-12, 12-19, 4 ил.(р=Ол,л, л, л, - л,тель 12 соединен с выходами переключателя 11 иполосовыхфильтров 14, При работе а первом режиме генератор 816 и 18. На пути распространения дифраги формирует ФМнсигнал руемой части пучка света ячейки Брэгга 19 Ос(т) = Чссов(2 л 1 с 1 + 91) + фс),0 л Тс,установлена линза 20, в фокальной плоскости которой установлен фотопреобразователь 21, соединенный с осциллографом 22, который подключен к источнику питания 7. Все блоки прибора установлены на основа- нии 1. где Ч, 1 с, Т, р - амплитуда, несущая частота, длительность и начальная Фаза сигнала;фт) = Ол - манипулируемая составляющая фазы сигнала, отображающая закон фазоаой манипуляции, причем р,(т = сопзт В последние годы широкое применение находит акустооптическая обработка радиосигналов. При этом п:новной особенно 5 10 15 20 25 30 35 40 45 стью акустооптической обработки радиосигналов пространственная двумерная оптических сигналов, а связи с чем возможности обработки радиосигналов в оптическом диапазоне оказываются существенно шире, чем в радиодиапэзоне, где радиосигнал имеет аременнуа одномерность.Указанная особенностьнаглядно демонстрируется предлагаемым прибором.Прибор работает следующим образом, При включении осветителя 2, а качестве которого могут быть использованы лазер и коллиматор, пучок света проходит через ячейку Брэгга 19 и объект 3, Последний вызывает интерференцию, в результате чего световой пучок пространственно перераспределяется и некоторая часть его попадает на фотопреобраэователь 5, При подаче напряжения от источника питания 7 вибратор 4 приводит объек3 в колебательное движение, синхронно с движением луча индикатора 6 по экрану и в различные моменты времени на фотопреобразователь 5 попадают различные части пространственно перераспределенного объектом 3 светового пучка. На экране осциллографа б возникает картина пространственного распределения энергии в световом пучке, например, для явления интерференции,При постановке переключателя 11 а первое положение 1 подключается генератор 8 сложных (ФМн) сигналоа, который может.работать в трех режимах. В первом режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с бинарной фазовой манигуляцией (ФМн)( р(1) = О, л). Во втором режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с двукратной фазовой манипуляциел (ФМн)( а(1) = О, ,л,л), В гретьем режимел 3генератор 8 формирует сложный сигнал с трехкратной фазовой манипуляцией (ФМнсимвольные частоты 45 50 55 Если переключатель 11 переводится во второе положение 11, то к устройству подключается генератор 9 сложных ЧМн сигналов, который также работает в трех режимах, В первом режиме генератор 9 формирует сигнал с минимальной частотной манипуляцией (ФМн) (фиг.За) Ос(1) = Чс СОВ(2 Л 1 срт 4 ф) + Рс, 0 Я Тс где гф) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг,4);7 + 12 Фср =- в- средняя частота сигнала, 21 1 = ср4 г,1 12 = 1 ср+4 гпВ этом случае на выходе полосового фильтра 14 образуется ЧМн сигнал с индексом девиации частоты Ь = 1, Причем его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 211 и 212 (фиг.2 о)., На выходе полосового фильтра 16 образуются две спектральные составляющие на частотах 411 и 412 (фиг.2 п), а на выходе полосового фильтра 18 образуются две спектральные составляющие на частотах 811 и 812 (фиг,2 р).Если генератор 9 переводится во второй режим, то на его выходе образуется сложный сигнал с дуобинарной частотной манипуляцией (ЧМн-З), В этом случае на выходах полосовьгх фильтров 16 и 18 образуются три спектральные составляющие на частотах 411, 41 ср, 412 (фиг.2 у) и 811. 8 тср, 8 т 2 (фиг.2 ф), т,е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие. На выходе умножителя 13 спектр ЧМнсигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку Ь1 (фиг.2 т).Если генератор 9 переводится в третий режим, то на его выходе формируется сложный сигнал со скруглением (ЧМн), На выходе умножителя 17 спектр ЧМнсигнала трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 811, 81 з, 81 ср, 8 И, 812 (фиг,2 ш). на выходах умножителей 13 и 15 сплошной спектр ЧМн сигнала тра сформируется в другие сплошные спектры, так как В этих случаях 111 (фиг.2 ц,ч),Если переключатель 11 переводится в третье 111 положение, то к устройству подключается ЛЧМ генератор 10, на выходе которого формируется сигнал 1.1 с(1) = ЧсСОВ(2 7 ГГсс.:т;1 - рс). 0 1Тс, ГдЕ2 10 15 20 25 30 35 40, - 9у = - = 9 - СКОрОСтЬ ИЗМЕНЕНИЯ чЭСТОТЫ Виут 1 с ри импульса; Юд - девиация частоты,На выходе перемно)кителя 13 Образ ется ЛЧМ сигнал04(1)=Ч 1 СОВ(4 Л 1 ст+2 с)Т+2 р 1,0 (1 (Тс,котооый выделяется полосовым фильтром 14, Так как длительность Тс ЛЧМ си нала на основной и удвоенной частотах Одинакова. то увеличение у в дв раза происходит за счет увеличения в два раза девиации астоты Мд, Из этого слеДУет, что шиРина спе ст Ра ЛЧМ сигнала на удвоенной частоте Ьтз в два раза больше его ширины на основной частоте Жс( Ю 2 = 2 Жс) (фиг,2 э),Аналогично на выходах перемножителей 15 и 17 ширина спектра ЛЧМ сигнала увеличивается в четыре и восемь раз (.бй = 4 Л 1 с, МВ = 8 Юс), (фиг,2 ю, я), Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала.Таким образом прибор по сра нению с прототипом обеспечивает наглядную демонстрацию акустооптической О.10 абОтки сложных радиосигналов: зозмок ность трансформации радиодхапазона В Ог тиче- скиЙ диапазон чеоез промежуточный акустический аналог; Возможнссть преобрдзоВания амплитудных, частот ь.х и Фазовых различий радиосигналов В пространственные различия Оптических сигналов: Возможность паоаплельной, Одновременный и практически мгновенной обарбот, и большого количества радиосигналов: возможность свертки спектра сдох;ных радиосигналов и трансформации е о В Отдельные спектральные составляющие. Формула изобретения Учебный прибор по оптике по авт,св, К.1010643. о т л и ч а ю щ и Й с я тем. что с целью расширения дидактических возможностей, он снабжен генераторами сложных сигналов, переключателями, поспедовательно включенными умножителями и полосовыми фильтрами, ячейкой Брзгга, линзой и дополнительными фотопреобразователем и осциллографом, при этом вь,ходы генераторов сложных сигналов соединень с первым выводом первого переключателя, первый, второй и третий выводы Втооого переключателя связаны с входами умножителей, а выходь 1 полосовых фильтров подключены соответственно к Второму, третьему и четвертому выводам Второго переключателя, пятый вывод которого связан1770974 при с 1, 1 (с+1) 1 п и может изменяться скачком при 1= тп, т,е, на границах между элементарными посылками (К=1,28-1);тпй - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс(Тс=й тп)Этот сигнал переключатель 11 поступает на два входа умнокителя 13, на выходе которого образуется гармоническое напряжение где Ч 1 = - сЧс,2,2 К - коэффициент передачи умножителя.ТаК КаК 2 р 1 с(1) - 0,2 Л, тО В уКаэаННОМ напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение выделяется полосовым фильтром 14 и поступает на два входа умножителя 15, на выходе которого образуется гармоническое напряжение где Чг = - сЧ 11 а2Это напряжение выделяется полосовым фильтром 16 и поступает на два входа умно- жителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение( Д 1 с(1) = О, Л. 2 Л, ЗЛ ),35 где Чз =. - сЧг .22Это напряжение выделяется полосовым фильтром 18,При постановки переключателя 12 в первом положение 1 ФМнсигнал поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 19.Пучок света от осветителя 2 проходит через ячейку Брэгга 19 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных ФМнсигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света, а дифрагирует приблизительно 1/10 часть основного пучка света, установлена линза 20, формирующая пространственный спектр сложного ФМнсигнала, В фокальной плоскости линзы 20 установлен фотопреобраэователь 21, соединенный с осциллографом 22Ячейка Брэгга 19 состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненный из кристалла ниобата лития соответственно Х и У - 35 среза, Это обеспечивает автомати 40 45 50 55 О 1(1) = Ч сов(4 лТс 1 + 2 ос), 0 1 сТ 02(1) = 02 соз(8 л 1 с 1+ 4 фс), 0 1 Тс. Оз(1) = Чз сов(16 Л 1 с 1 + 8 рс). 0 1 Тс,5 10 15 20 25 30 ческую подстройку по углу Брегга и работу ячейки в широком диапазоне частот.Ширина спектра ФМнсинала Лтс определяется длительностью т элементарных посылок(ЙХс = - ). Тогда как ширина спектра второй М 2, четвертой Ю 4 и восьмой ЛЬ гармоник определяется длительностью Тс сиг 1нала ( Л 12 = ж 4 = л 1 в:= - ), следовательно.Тспри умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМнсигнала "сворачивается в й раз( =г- = т = М ) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания сложного ФМнсигнала.При установке переключателя 12 в первое положение 1 на экране осциллографа 22 визуально наблюдается амплитудный спектр ФМнсигнала (фиг.2 а) При переключении переключателя в положения 11, 111 и Ч на экране осциллографа 22 визуально наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг,2 б. в, г),Если генератор 8 переводится во второй режим, то на его выходе формируется ФМнЛ 34 СИГНаЛ (у%(1) = О, т, Л, т Л ). В ЭТОМ СЛуЧаЕ на выходе полосового фильтра 14 осразуется ФМнсигнал а на выходе полосовых фильтров 16 и 18 образуются соответствующие га рмонические напряжения 02(1) и 1.1 з(1), при нахождении переключателя 12 в положении или 11 на экране осциллографа 22 наблюдаются спектры ФМнили ФМнсигналов (фиг,2 д, е), а при переключении переключателя 12 в положенияи 1 Ч на экране осциллографа 22 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.2 ж, 3).Если генератор 8 переводится в третий режим, то на его выходе формируется ФМнсигнал 1 ус(1) =О, д, ту, д лл 4 л, ту л, д РфЛЛЗ 5; 2 На выходах полосовых фильтров 14 и 16 образуются ФМни ФМнсигналы, а на выходе полосового фильтра 8 образуется гармоническое напряжение Оз(1), В этом случае на экране осциллографа 22 при 1. 1 и 111 положениях переключателя 12 наблюдаются спектры ФМн, ФМни ФМнсигналов (фиг,2 и,к,л), а ттри гЧ положении переключателя 12 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг.2 м).1770974 ЖчВ.нМ ВнФиг;2,электрически с ячейкой Брэгга, расположенной на оптической оси между осветителем и обьектом с вибратором, ячейка Брэгга оптически связана с линзой, в фокальной плоскости которой установлен дополнительный фотопреобразователь, соединенный выходом с первым входом дополнительного осциллографа, причем второй вывод первого переключателя соединен с первым выводом второго переключателя. а 5 выход источника питания связан с вторымвходом дополнительного осциллографа.